Rhamnolipids 생성 미생물 고정화 담체를 이용한 분리막 생물반응조의 막오염 제어

박유찬 세종대학교 대학원 2022 국내석사

분리막 생물반응조 (membrane bioreactor, MBR)는 통상적으로 사용되는 활성슬러지 공정보다 소요부지가 적고 높은 수준의 처리수를 생산할 수 있다. 이러한 많은 장점이 있어 하·폐수 처리에서의 그 비중을 점차 넓혀 나가고 있다. 그러나 많은 장점에도 불구하고 MBR 은 반드시 극복해야 하는 단점을 지니고 있다. 바로 미생물이 분리막 표면에 생물막 (biofilm)을 형성하여 발생하는 막 오염 (membrane fouling) 현상이다. 생물학적 계면활성제의 일종인 rhamnolipid 가 생물막 형성을 억제하여 막 오염 현상을 저감시킨다는 사실이 밝혀졌다. 또한, 본 연구 이전의 선행연구에서 rhamnolipid 를 실험실 규모의 MBR 반응조에 적용해 막 오염 저감 효과를 보였다. 그러나 순도 높은 rhamnolipid 를 정제하는 과정에서 발생하는 어려움 때문에 rhamnolipid 의 지속적인 주입은 높은 비용을 요구한다. 본 연구에서는 이러한 한계를 극복하기 위해 rhamnolipid 를 지속적으로 주입해 주는 것이 아닌 rhamnolipid 생성 미생물을 담체에 고정해 주입하여 줌으로써 장기간의 막 오염 제어 가능성을 확인하였다. 담체로서는 생물 적합성이 우수하여 미생물 고정에 있어 가장 많이 사용되는 칼슘 알지네이트 (Ca-alginate)비드를 사용하였다. 담체의 장기간 적용 가능성 확인을 위해 총 두 번의 실험실 규모의 MBR 실험을 진행하였다. 알지네이트 비드에 rhamnolipid 생성 미생물을 고정시켜 투입해 줌으로써 담체의 물리적인 충돌에 의한 막 오염 제어 효과와 rhamnolipid 의 생물막 형성 저감에 의한 막 오염 제어 효과를 확인하였다. 또한, rhamnolipid 생성 미생물을 고정시킨 담체를 고분자 물질인 polysulfone을 비용매 유도 상전이법을 이용해 코팅하여 MBR 에 투입하였다. 그 결과, 담체의 장기간 적용 가능성을 확인하였고, 코팅 미생물 고정 알지네이트 비드에서 생성된 rhamnolipid 의 생물막 형성 저감에 의한 막 오염 제어 효과를 확인하였다.

Bacterial quorum quenching for biofouling control at low temperature in membrane bioreactors for wastewater treatment

민소진 Graduate School, Yonsei University 2021 국내박사

분리막 생물반응기(Membrane bioreactor, MBR)는 고도폐수처리 및 재이용을 위해 널리 적용되고 있다. 그러나 분리막 표면에 생물막 형성으로 인한 생물막오염은 분리막 생물반응기의 고질적인 문제로 지적되며, 운전 비용의 증가나 분리막의 수명 단축을 야기한다. 생물막 형성의 주요 원인 중 하나인 정족수 감지(Quorum sensing, QS)를 억제하는 정족수 감지 억제법(Quorum quenching, QQ)이 MBR 내 생물막오염의 제어에 사용되었다. 상온의 MBR 에 QQ 를 적용하여 생물막오염이 효과적으로 저감된 많은 연구 결과가 보고되었으며, 최근에는 저온의 MBR 에서 심각한 생물막오염이 발생한다고 보고되었다. 따라서 생물막 오염 저감을 위해 QQ-MBR 을 실제 하폐수 처리 공정에 적용된다면 계절적 영향에 의한 저온에서의 QQ 활성을 확인할 필요가 있다. 본 연구의 목적은 QQ 세균을 적용한 10oC QQMBR 에서 QQ 세균의 생물학적 QQ 활성을 증가시키는 것이다. 본 연구의 구체적인 내용은 아래와 같다. 첫째, QQ 세균인 Rhodococcus sp. BH4 (30oC, 48 시간 배양)를 10oC MBR 에 적용하면, TTMP ratio 가 1.37 로 나타나며 25oC 에 비해 QQ 활성이 감소한다. 저온에서의 QQ 활성을 향상시키기 위해, 저온에서 QQ 활성이 있다고 보고된 L10.15T를 10oC MBR 에 적용하였으며, TTMP ratio 는 2.10 으로 BH4 보다 향상된 QQ 효과를 확인했다. 둘째, 저온의 MBR 에서 QQ 효율을 향상시키기 위해, QQ 박테리아의 새로운 배양 조건인 BH4-L (10oC, 120 시간)을 제안하였다. 정족수감지에 사용되는 신호전달물질 중 하나인 N-acyl homoserine lactone (AHL)의 10oC 에서의 제거율은 BH4-L 에서 89%, BH4 에서 71%로, BH4-L 에서 더 높은 것으로 나타났다. 이때 QQ-bead 의 내부 세균의 live/dead 비율을 비교하면, BH4-L 과 BH4 를 각각 고정했을 때, 5.25, 1.82 로, BH4-L 에서 더 많은 세균이 살아있다. 때문에, 동일한 양의 QQ 세균을 주입함에도 불구하고, 10oC 에서는 BH4 보다 BH4-L 이 더 많이 살아남기 때문에, BH4-L 의 QQ 활성도 증가했다고 사료된다. 10=C MBR 에 BH4-L 을 고정한 QQ-bead 를 주입하고 운전한 결과, 막간차압(Transmembrane pressure, TMP)의 상승 속도는 BH4(TTMP ratio: 1.37)보다 BH4-L(TTMP ratio: 1.93)에서 느려졌다. BH4-L 에 의한 생물막 형성 및 신호전달물질 생산의 감소는 transwellplates 를 사용한 회분식 실험에서 확인했다. 마지막으로, 성장 곡선 내 구간별로 취한 BH4-L 의 QQ 활성을 평가했다. 이 실험을 통해 각 성장 단계에 따른 QQ 활성의 차이를 확인했고, 특히 초기 대수기의 BH4-L 의 AHL 분해 속도가 가장 빨랐다. 본 연구에서 제안한 BH4-L 이라는 변형된 배양 조건은 생물막 오염 제어 필요성이 큰 10oC 부근에서 운전하는 MBR 에 적용 할 수 있다. 이를 통해 저온의 QQ-MBR 에서도 향상된 QQ 활성으로 인해 높은 생물막 오염 제어 효과를 얻을 수 있을 것으로 기대된다. Membrane bioreactors (MBRs) have been widely applied for advanced wastewater treatment and reuse. In MBR processes, biofouling caused by biofilm formation on the membrane surface is pointed out as a chronic problem of MBRs, which increases the operating cost and shorten the lifespan of membranes. Bacterial quorum quenching (QQ) that inhibits quorum sensing (QS), one of the main causes of the biofilm formation via communications with N-acyl homoserine lactone (AHL), has been used for biofouling control in MBRs. In many of previous studies, the application of QQ to MBRs at room temperature resulted in effective biofouling reduction. However, it was reported that MBRs showed severer biofouling at low temperature than at room temperature but QQ activity, meaning AHL removal, was less at low temperature. Therefore, it is necessary to investigate and enhance the efficiency of QQ technology at low temperature considering seasonal temperature variations. The objective of this study was to improve bacterial QQ activity in MBRs at 10oC. The specific objectives of this study are as follows: First, Rhodococcus sp. BH4 as QQ bacteria were cultured at its general culture condition (30oC for 48 h) as a control and inoculated in polymeric medium to prepare QQ beads. As expected, the anti-biofouling efficiency of BH4 was less at 10oC than at 25oC. To improve the QQ efficiency at 10oC, another QQ bacteria, L10.15T producing cold active QQ enzymes were used to prepare QQ beads and applied for biofouling control in lab-scale MBRs at 10oC. L10.15T showed more QQ activity than BH4 at 10oC, leading to successful reduction in biofouling of MBRs operated at low-temperature with synthetic wastewater. Second, the culturing method of BH4 was modified to improve QQ efficiency of MBRs at low temperature. In the modified culturing method, BH4 bacteria were cultured at 10oC, not 30oC and sub-cultured to achieve a concentration suitable for QQ bead preparation. The BH4 cultured by the modified method was designated as BH4-L. The AHL removal at 10oC was 89% by QQ beads with BH4-L, which was higher than 71% by those of BH4 because the live/dead ratio of the BH4-L inside the beads was ca. 3 times higher than that of BH4, leading to higher QQ activity. QQ-beads containing BH4-L were loaded to MBRs operated at 10oC. The rise-up of transmembrane pressure (TMP) of MBRs due to biofouling was significantly retarded using the QQ beads with BH4-L, compared to MBRs containing QQ beads with BH4. The concentration of extracellular polymeric substances (EPSs) in biofilm on the membrane surface of the MBRs containing QQ beads with BH4-L was lower than that of BH4 because BH4-L significantly inhibited the QS at low temperature, resulting in a decrease of biofilm formation and delay of TMP rise-up. The reduction in biofilm formation and AHL concentration by BH4-L were confirmed in batch tests using transwell plates. Finally, QQ activity of BH4-L bacteria sampled at several points of QQ bacteria growth phases was evaluated to find how to enhance the QQ efficiency of BH4-L further. BH4-L at each growth phase showed a difference in AHL removal up to 10% in the first 30 min of the reaction. The BH4-L at early exponential phase had the highest QQ activity in terms of AHL degradation rate. It is expected that the methods developed in this study to enhance QQ activity at low temperature may be beneficial in full-scale MBRs operated at low temperature due to seasonal variations or in cold climate regions.

Bacterial signaling inhibition을 이용한 biofouling 제어 기술의 RO막 적용 연구

김미진 高麗大學校 大學院 2010 국내석사

환경 오염 문제가 나날이 심각해지고 인간의 삶의 질이 향상됨에 따라 깨끗하고 쉽게 얻을 수 있는 물에 대한 수요가 점점 증가하고 있다. 이러한 상황에서 나노 여과 (nanofiltration; NF), 역삼투 (reverse osmosis; RO) 공정과 같은 막 여과 공정은 요구되는 수질의 물을 빠르게 생산해낼 수 있으므로 가장 효과적인 수 처리 공정 중의 하나로 부각되고 있다. 하지만, 막 여과 공정은 막 오염 (fouling)으로 인해 유출수 저감과 염 제거율 감소와 같은 공정의 효율성이 떨어지는 문제가 있다. 유기물, 무기물, 미생물, 콜로이드 물질, 입자상 물질과 같은 막 오염을 유발하는 여러 가지 막 오염 인자 가운데, 미생물의 막 표면 흡착과 생물막 형성으로 인한 생물막 오염 (biofouling)이 가장 잠재적으로 심각한 문제를 유발하는 요인으로 알려져 있다 [1-5]. 현재 생물막 오염을 조절하기 위한 물리 화학적 방법에 대해서는 수 많은 연구가 진행되고 있으나, 이러한 방법은 막 표면 손상과 같은 문제를 야기시킴으로 인해 현장에 널리 적용하기에는 한계가 있다 [6-8, 29]. 반면, 생물막 오염에 대한 해결책으로 생화학적 기술에 대한 체계적인 연구는 거의 이루어진 바가 없어 물리화학적 제어 기술에 대한 한계점을 극복할 수 있는 새로운 방법으로써 생물막 오염 저감을 위한 생화학적 기술에 대한 연구가 진행될 필요가 있다. 생물막 오염은 초기에 부유 미생물이 막 표면에 흡착하여 미소군락 (microcolonies)를 형성한 후 생물막 (biofilm)으로 발달하여 막 오염이 심화되는 과정으로 진행된다. 생물막은 표면에 흡착하여 자가 생산한 고분자중합체 물질로 둘러싸인 미생물의 구조적 집합체라고 정의되는데, 미생물은 이러한 생물막을 형성함으로써 외부 환경에 대한 저항성을 키우고 생존에 적합한 환경을 만들어 나간다 [9]. 미소군락에서 생물막으로 발달하는데 정족수 인식 (QS; quorum sensing)이라는 기작이 관여하는 것으로 널리 알려져 있다. 정족수 인식은 세포 밀도에 따라 특정 표현형이 발현되게 하는 세포간 상호 의사 소통 시스템이다 [10, 11]. 정족수 인식을 하는 미생물은 저분자 물질인 자가유도인자 (AI; autoinducer)를 생산하여 세포 밖으로 배출하고, 일정 농도에 도달하였을 때 세포 내로 역 확산되어 들어오는 자가유도 인자를 감지하여 특정 유전자의 발현을 유도하여 특정한 표현형이 발현되도록 한다. 정족수 인식으로 발현되는 형질은 생물막 형성 외에도, 독성물질 생산, 생물발광 (bioluminescence) 등이 있다 [12-15]. 실제 플랜트에서 사용하던 RO막에 형성된 생물막에서 분리 동정한, 정족수 인식으로 생물막을 형성하여 막 오염을 일으키는 미생물 중 하나인Pseudomonas putida를 실험 균주로 사용하여 정족수 인식의 저해와 생물막 오염 제어에 대한 연구를 수행하였다. P. putida는 토양 속에 흔히 존재하며 식물의 생육을 돕는 부생세균으로 자가유도인자로 N-acylhomoserine lactone (AHL)를 이용하는 그람 음성 미생물이다 [17, 18]. 본 실험에서는 AHL을 homoserine lactone 과 지방산으로 가수 분해하는 효소인 acylase를 이용하여 [19] 자가유도인자를 분해하고 정족수 인식을 저해함으로써 생물막 오염이 덜 일어나는지 연구하였다. 한편, 먼저 생물막이 발달하기 위해서는 미생물이 막 표면에 흡착 되어야 한다. 초기 흡착된 양이 생물막으로 발달하는 속도를 결정하는 중요한 인자 중의 하나이므로 막 표면의 특성과 미생물의 흡착과의 연관성을 알아볼 필요가 있다. 막 표면의 성질 중 미생물의 흡착을 저해하거나 혹은 반대로 유도하는 요인이 있다면, 이는 초기 미생물 오염 제어의 기초 기술로 활용할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 RO 막 종류에 따른 P. putida의 흡착 경향성을 비교하고 이에 따른 생물막 오염 잠재성 예측에 관한 연구를 수행하였다. 더 나아가 초기 흡착에서 생물막이 발달하는 과정에서 중요한 역할을 하는 정족수 인식을 acylase를 이용하여 저해함으로써 RO 막 공정에서 생화학적 방법으로의 생물막 제어에 대한 가능성에 관한 연구를 수행하였다. In order to verify a biofouling propensity dependent on membrane surface chemical characteristics and a potentiality of biofouling control by quorum sensing inhibition, bacteria attachment and biofilm formation on membrane coupons were investigated. In these experiments, two different types of RO (reverse osmotic) membrane were used. One had hydrophilic nature, low heterogeneity, and was charged highly negatively. The other had relatively had hydrophobic nature, high heterogeneity, and charged with lower electron density. Pseudomonas putida isolated from the biofouled RO membrane operated in a real RO plant was used as a strain for this study. P. putida is a gram negative, rihzospehre bacteria, and well known to form a biofilm involving a quorum sensing mechanism. Quorum sensing is a cell-to-cell communication system dependent on cell density which lets bacteria express a specific phenotype. P.putida uses a N-acylhomoserine lactone(AHL) as a quorum sensing signal molecule called autoinducer (AI). In this paper, acylase reported that hydrolyze an amide of AHL was chosen to inhibit the quorum sensing for biofouling retardation. The bacterial number on membrane coupons was quantified with heterotrophic plate count (HPC) method, and imaged by confocal laser scanning microscope (CLSM). Much more bacteria adhered to the membrane surface which is hydrophobic, more heterogenic, and charged with lower electron density. It means that biofouling propensity on those membranes is far higher than the hydrophilic, less heterogenic, and more negatively charged membrane. It was demonstrated clearly that biofouling was retarded by quorum sensing inhibition using acylase.

Profiling the biofouling characteristics of pathogenic microorganisms and developing an orthopedic implant with suppressed biofilm formation

Yoo-Jin Roh DGIST 2023 국내석사

유로변경식 생물막 시스템의 질소·인 동시제거 최적화

김진형 건국대학교 대학원 2002 국내석사

Biofilter systems can provide reliable treatment and are competitive in cost to suspended growth systems, besides they have been favored for upgrading existing plants or where space is limited. The objectives of this study is to develop flow reversal biofilm system for simultaneous removal of nitrogen and phosphorus. To find optimum operating conditions, performances of the system for simultaneous removal of nitrogen and phosphorus were evaluated at non-circulation and intra-circulation mode. At intra-circulation mode, removal efficiency by the system was better than it at non-circulation mode. When the intra-circulation rates of 300% to 800% were applied to the system, the removal efficiency achieved average removals of TCOD, TN, and TP up to 90%, 80%, and 80%, respectively, at a intra-circulation rate of 400%. It was estimated through this research that the factors affecting removal efficiency of the system were cycle time, intra-circulation rate, hydraulic retention time, influent organics concentration, and backwashing cycle.

고도정수처리 및 상수원수 전처리를 위한 생물막여과의 처리특성

金元興 밀양대학교 2002 국내석사

생물막 여과공정 이용하여 고도정수처리 및 상수원수 전처리 특성을 파악하고자 Pilot plant test와 Batch test를 수행한 결과는 다음과 같다. 1. 생물막 여과공정을 이용한 고도 정수처리결과 기존의 고도 정수처리시스템의 처리특성을 비교할 때, 평균 제거율이 탁도 98%, 색도 98%, KMnO₄소비량 82%, NH₃-N과 UV254는 각각 90% 등으로 나타나 기존의 고도 정수시스템으로 운전한 Pilot-Plant 보다 침전공정과 모래여과 공정이 생략 됐음에도 불구하고 그 처리효과는 거의 유사하게 나타났다. 2. 생물막 여과 공정에 의한 NH₃-N의 제거특성은 수온이 18℃-29℃에서는 90-100%, 10℃-18℃에서는 80-70%, 10℃이하에서는 55-65%의 제거율을 나타내었다. 이 밖의 유기물들은 저 수온, 고 탁도 유입 시라도 소량의 응집제 주입 후 생물 직접여과의 방법으로 안정된 수질을 얻을 수 있었다. 생물막 여과 공정에 의한 상수 원수의 처리결과, 탁도 98%, 색도 95%, KMnO₄소비량 70%, UV254 79% 정도의 높은 처리 효과를 나타내었다. 3. 생물막 여과 공법의 여재로 사용된 제오카본과 1년 사용한 활성탄(GAC1), 흡착 파과된 활성탄(GAC2)의 비교실험 결과 초기에는 활성탄 흡착능의 효과로 GAC1, 제오카본, GAC2 순의 처리효과를 보였지만 약 두 달 이후에는 세여재 모두 거의 동일한 처리 효과를 나타내었다. 4. 손실수두 비교 및 흡착된 THMs의 유출 여부를 검토하기 위하여 폐활성탄, 폐활성탄+제오카본, 폐활성탄+모래로 여층을 구성하고 실험한 결과 폐활성탄+제오카본이 처리수질과 손실수두 증가 면에서 효과적이었으며, 역세척시 층 혼합 현상도 일어나지 않았다. 한편, 폐활성탄의 THMs 탈착은 약 45일 경과 후에는 검출되지 않았다. 5. 고탁도 수질 악화 시 생물막 여과수의 탁도를 INTU, 색도를 8 이하로 유지하기 위해서는 유입 탁도가 100NTU이상 일 경우에는 응집제를 20ppm이상 주입하여야 하고, 유입 탁도가 8-100NTU일 경우 약 15ppm 정도로 주입하는 것이 적당함을 알 수 있었다. 그러나, 수온이 18이상인 하절기에는 유입탁도가 13NTU 이하에서는 응집제 주입을 하지 않아도 만족 할 만한 수질을 얻었다. 한편 응집제 주입 시 최적 여과속도는 100-120m/day인 것을 알 수 있었다. This study was focussed upon evaluating the characteristics of biofiltration process as pre-treatment of raw water and alterative advanced water treatment system(AAWTS) composed with biofiltration, post-ozonation and granular activated carbon(GAC) for Nakdong River in comparison with existing advanced water treatment system(EAWTS) consisting of pre-ozonation, flocculation, sedimentation, sand filtration, post-pzonation and granular activated carbon(GAC). Through pilot plant test and batch test, the characteristics of advanced water treatment and pre-treatment using biofiltration was experimentally studied. The following summarizes the results obtained from this study. 1. As the result of advanced water treatment using biofiltration process, it was found that average removal efficiencies of turbidity, color, KMnO₄consumption, NH₃-N and UV254 were 98%, 98%, 82%, 98% and 90%, respectively. 2. In pre-treatment of raw water by biofiltration process, the removal efficiencies of turbidity, color, KMnO₄consumption, and UV254 were revealed to 98 percent, 95 percent, 70 percent and 79 percent, respectively. NH₃-N removal characteristics through biofiltration process were shown as from 90% to 100% in the range from 18℃ to 29℃, in the case between 10℃ and 18℃ from 70% to 80%, and below 10℃ from 55% to 65%, respectively. Biofiltration process in the difficult situations of low water temperature and high turbidity was capable of improving removal efficiencies of other organic substances. 3. In comparison with characteristics of filter media used by biofilter media, treatment efficiency of GAC1 in start-up operating period was the highest, the next zeocarbon, and the other GAC2. Around two months later, treatment efficiencies of all the three biofilter medium were likely to be the same. 4. In the experiment investigating head loss development and washout of adsorpted THMs the filter layer composition of waster activated carbon plus zeocarbon presented a well treated water quality and a ideal head loss development. Detachment of THMs in waste activated carbon was not detective after about 45 days. 5. To maintain the biofiltered effluent level of turbidity and color to below 1 NTU and 8 degree in water quality deterioration of high level of turbidity, it was applicable that coagulant was required to does above 20ppm in the case of 100NTU of influent turbidity and about 15ppm in the range of influent turbidity from 8NTU to 100NTU.

Enhancement of anti-fouling properties of quorum quenching bacteria entrapping media for effective biofouling control in membrane bioreactors

이상현 서울대학교 대학원 2017 국내박사

분리막 생물반응기(Membrane bioreactor)는 고도 하∙폐수처리 공정으로 각광받고 있지만, 분리막에 생물막오염으로 인한 투수도 감소, 분리막 수명 단축, 운전비 증가 등의 문제점들이 발생하게 된다. 최근에 정족수감지(Quorum sensing)가 생물막형성에 중요한 역할을 한다는 것이 밝혀졌고, 정족수감지 억제(Quorum quenching) 미생물을 담체에 고정해 적용하여 분리막 생물반응기의 생물막오염을 저감을 시킨 연구결과들이 보고되고 있다. 하지만 이전 연구결과들은 QQ 미생물 고정 담체 (QQ담체)의 소재와 적용 방법을 달리해 효율을 증가시키고자 하였지만, 정작 중요한 QS 신호분자가 어떻게 QQ담체에 의해 분해되는지에 대해서는 아직 보고 되지 않았다. 또한, QQ담체의 경제성을 확보하기 위해서는 담체의 물리, 생물학적 안정성이 향상될 필요성이 있었다. 따라서 본 연구에서는 QS 신호분자와 QQ담체사이 물질 전달을 조사하였고 이 정보를 바탕으로 더 효율적인 QQ담체를 개발하였다. 추가로, 담체 제조과정에 건조과정을 추가해 담체의 물리, 생물학적 안전성을 향상 시켜 수명을 증가시켰다. 구체적인 연구내용은 다음과 같다. 첫째, 리포터 균주 (reporter strain, Escherichia coli JB525)을 이용해 QQ-bead 내부의 QS 신호분자를 시각화 하였다. 이를 통해 담체 내부에 고정된 QQ 미생물은 활성이 기여하지 못한다는 것을 밝혔다. 이 결과를 바탕으로 중공사 형태인 QQ hollow cylinder (QQ-HC)를 개발하였다. QQ-HC의 내부 빈 공간을 조절함으로써, 고분자 재료의 사용을 줄이면서도, 담체의 비표면적을 증가 시킬 수 있었고, 그로 인해 기존의 QQ-bead 보다 QQ활성이 약 13% 증가됨을 확인하였다. 또한 QQ-HC의 물리세정 효과가 기존 QQ-bead 보다 약 140% 향상되었는데 이것은 분리막과 점으로 충돌하는 QQ-bead보다 선으로 충돌할 수 있는 QQ-HC가 분리막과의 충돌 면적이 크기 때문이라고 생각된다. 실험실 스케일의 MBR에 적용했을 시에도 QQ-HC가 기존의 QQ-bead보다 뛰어난 생물막오염 저감 성능을 보였다. 이는 기초실험에서 확인했듯 QQ-HC의 증가된 QQ활성과 물리세정효과에서 기인한 것으로 보인다. 둘째, 기존 QQ 담체 제법에 건조과정을 추가해 QQ-HC의 물리강도를 약 100% 증가시켰다. Gel fraction과 SEM 분석 결과, 담체를 이루는 고분자 사이 가교결합의 증가로 인해 담체의 물리강도가 증가한 것으로 추측된다. 또한 건조 과정 중 감소된 QQ활성은 LB 배지나 실폐수로 배양하여 초기 값으로 회복이 가능하였다. 건조 된 상태로 보관기간이 90일 넘어갈 시에는 건조 후 보관한 QQ-HC이 생리식염수에 보관 된 QQ-HC보다 QQ 미생물의 생존도 (cell viability) 유지에 더 유리한 것으로 확인되었다. 그 결과 건조과정을 거친 QQ-HC는 실험실 MBR에서 더 높은 수명을 유지하였고 생물막오염 저감 효과 또한 더 오래 유지된 것을 확인하였다. 더 나아가, QQ담체를 건조시키면 부피와 무게가 크게 감소하게 되는데 이는 QQ담체의 운반이나 취급을 경제적이고 용이하게 할 것으로 예상된다. Quorum quenching (QQ) bacteria entrapping media have been reported as a new method for biofouling control in MBR because, unlike conventional post-biofilm control methods, bacterial QQ can inhibit biofilm formation through its combined effects of physical scouring of the membrane and biological inhibition of quorum sensing (QS). Most of subsequent studies focused on improving the efficiency of QQ media through changing material or method of application. However, they did not account how QS signal molecules and QQ media interact with each other which could lead to a further enhancement in biofouling control efficacy of QQ media. Furthermore, enhancement in physical and biological properties of QQ media is necessary for making QQ technology more economical and for bringing it closer to practical applications. In this study, the route by which QS signal molecules come into contact with QQ bacteria entrapped in a hydrogel medium was analyzed. On the basis of this result, a more efficient QQ media design was proposed. Furthermore, enforcement of physical strength as well as extension of lifetime of a QQ-HC was sought by adding a dehydration procedure following the ionic cross-linking of polymeric hydrogel. Firstly, the interaction between QS signal molecules and QQ media was analyzed by visualizing QS signal molecules in a spherical shaped hydrogel QQ medium (QQ-bead) using a special reporter strain (Escherichia coli JB525). On the basis of this result, QQ hollow cylinder (QQ-HC) was developed. QQ activity and physical washing effect of (QQ-HCs) was shown to be higher than those of QQ-beads, by 13% and 140% respectively, due to an increased surface area and more efficient use of media material. The operation of lab-scale MBRs with QQ-HC and QQ-bead confirmed that biofouling was mitigated to a greater degree in the MBR with QQ-HC than in the MBR with QQ-bead. Secondly, physical strength and lifetime of a QQ-HC was enhanced by adding a dehydration procedure following the cross-linking of polymeric hydrogel by Ca2+, boric acid, and SO42-. From the gel fraction determination and SEM analysis, it is speculated that the increase in physical strength (approximately by 100%) was due to the increased degree of physical cross-linking after dehydration procedure. In addition, the lost QQ activity after the dehydration step could be easily restored through re-activation with either a commercial culture medium or real wastewater. As a result, longer lifetime of QQ-HCs was confirmed which led to an improved biofouling mitigation performance of QQ-HCs in an MBR. Furthermore, QQ-HCs stored under dehydrated condition showed higher QQ activity when the storage time lasted more than 90 days due to better-maintained cell viability. Moreover, the reduced weight of dehydrated media is expected to make handling and transportation of QQ media highly convenient and economical in practice.

Acinetobacter baumannii의 생물막 형성과 colistin 감수성 : Biofilm Formation and Colistin Susceptibility of Acinetobacter baumannii

김현아 계명대학교 대학원 2014 국내박사

Acinetobacter baumannii는 주요 항균제에 내성을 가지는 병원 연관 감염의 중요한 원인균으로써 특히 최근 중환자실에서 그 수가 증가하고 있으며 병원성에 생물막이 중요한 요인이라고 알려지고 있다. 생물막은 건조한 환경에서 A. baumannii 가 수개월 동안 생존할 수 있도록 하여 전파율을 높이며 또한 기계 환기기 연관 감염이나 카테터 관련 요로 감염, 카테터 관련 혈액 감염 등 인공 삽입물 연관 감염에 영향을 주는 것으로 확인되었다. 또한 생물막 형성 여부가 A. baumannii 감염에서 치료 실패와 연관이 있음이 확인되었다. 이 연구에서는 국내 A. baumannii 임상 검체의 생물막 생성능을 확인하고, 다제 내성 A. baumannii 의 치료에 사용 중인 colistin에 대하여 전통적인 방법의 최소 억제 농도와 생물막 하에서 colistin 에 대한 최소 억제 농도를 비교 하였다. 이 연구 결과 국내 임상 검체의 77%에서 표준 균주인 A. baumannii ATCC 19606 보다 많은 양의 생물막 형성을 확인 하였다. 표준 균주에 비해 생물막 생성이 많은 균주와 적은 균주에 대해서 colistin 에 대한 최소 억제 농도를 비교 하여서는 생물막 생성이 많은 균주에서 전통적인 최소 억제 농도와 생물막하에서의 최소 억제 농도 차이가 더 크게 나는 것으로 확인되었다. 결과적으로 국내 A. baumannii 생물막 형성능을 확인 하여서는 최근 보고된 다른 연구와 비교하여 다소 높은 생물막 형성능을 보이는 것을 확인 하였으며, colistin에 대해서 생물막 형성능이 높을수록 세균의 억제를 위해서 높은 농도의 colistin이 필요한 것을 확인하였다. 이는 다제 내성 A. baumannii 의 감염에 colistin 치료 시 전통적 항생제 감수성 평가 기준인 최소 억제 농도가 감수성 범위에 있더라도 치료 실패 확률이 높은 원인에 생물막이 연관되어 있을 가능성을 시사한다. Acinetobacter baumannii has the ability to acquire a resistance to a wide range of antimicrobials, and survives and spreads in hospital environments. Biofilm is one of the virulence factors associated with long-term survival in hospital environments and provides resistance to antibiotics. Despite the high rate of treatment failure, colistin is still the last option for treatment of multidrug-resistant A. baumannii infection. To determine antibiotic susceptibility, minimal inhibitory concentrations (MICs) were assayed by several standard methods. However, the standard methods are using the bacteria in their planktonic state. Recently, several studies have reported that biofilm formation ability can influence antibiotic susceptibility. Therefore, in this study, the biofilm formation of A. baumannii in clinical isolates was investigated and the MICs compared to colistin both in planktonic and biofilm status. Seventy seven percent of clinical isolates showed a higher ability to form biofilm compared to a standard strain of A. baumannii ATCC 19606. Differences between the MICs and minimal biofilm inhibition concentrations (MBICs) of colistin were greater in the group of A. baumannii, which has a strong ability to form biofilm. These results suggest that biofilm formation ability could affect antibiotic susceptibility in clinical isolates of A. baumannii. Further investigations are needed with large numbers of multicentric isolates collected in Korea.

원수에 따른 역삼투막의 생물학적 막오염의 가능성과 염소전처리시 영향

김태현 건국대학교 대학원 2007 국내석사

한글초록 : 고압 막여과에 적용되는 나노여과막(NF)과 역삼투막(RO)은 미량 유해 물질 및 독성 이온, 염분등의 제거가 가능한 고도수처리기술로서 상․하수, 해수 담수화, 물 재이용등에 널리 이용되고 있다. 그러나 막오염 현상은 막여과 공정에서 가장 큰 단점으로 지적되고 있다. 막오염의 형태는 유기물질, 무기물질, 입자상 물질에 의한 오염과 생물학적 막오염(biofouling)등이 있으며 서로 영향을 미친다. 생물학적 막오염은 생물막의 형성에 따라 야기되는 현상으로 플럭스 감소, 생물막의 저항에 의한 투과압의 감소, 용존성 이온의 침전과 농도 분극을 크게 하여 유출수 수질 악화, 막의 손상등을 일으킨다. 또한 전처리를 통한 제어가 어려워 나노여과막(NF)과 역삼투막(RO) 적용시 운영상 가장 큰 문제로 인식되고 있다. 생물학적 막오염에 대한 연구는 RO막을 이용한 해수담수화와 하수재이용에 관련하여 많은 연구가 이루어져 왔다. 반면에 국내에서는 해수담수화 사업과 하수재이용 사업이 활발히 추진되지 않았기 때문에, 실질적인 RO막의 적용이 제한적이고 충분한 연구가 이루어지지 않고 있다. 하지만 강화되는 수질기준과 물부족에 따른 하수 재이용에 대한 요구가 높아지고 있기 때문에 NF, RO막의 도입이 예상되며다. 따라서 국내의 다양한 원수에 적용하여 생물학적 막오염에 대한 연구가 필요한 상황이다. 따라서 이번 연구는 생물학적 막오염을 제어하기 위한 기초연구로 실시되었으며, 원수의 생물학적 막오염 가능성을 고찰하였다. 또한 생물학적 막오염 제어를 위해 염소전처리를 실시하여 생물학적 막오염에 대한 영향을 고찰하였다. 2차처리수는 생물막 형성 실험에서 가장 높은 미생물 농도를 나타냈으며, 막성능 평가 실험을 통해 빠른 플럭스 저감과 막표면의 높은 미생물 농도를 나타내어 생물학적 막오염의 가능성을 나타내었다. 염소전처리에 따라 빠른 플럭스 저감을 나타내어 막오염을 증가시키는 것으로 나타났다. 막표면 분석을 통해 미생물 농도는 대체적으로 낮게 나타났고 EPS 농도는 염소전처리에 따라 감소하지 않았다. 따라서 염소에 의한 EPS 유출 가능성을 시사하고 생물학적 막오염에 대한 다각적인 접근이 필요하다고 판단된다 영문초록 : High pressure membrane processes such as nanofiltration(NF) and reverse osmosis(RO) are considered as the advanced technology and have widely applied to water treatment because of their high efficiency and economic aspects. Membrane fouling caused by inorganic deposits, adsorbtion of organic matters, particulate deposition and microbial adhesion and growth, however, causes operational problems such as flux reduction and high pressure drops. To control fouling, extensive pretreatments are required for feed water. However, even with pretreatment, biofouling caused by biofilm formation at the surface on membranes is hard to control microorganisms can survive and multiply even if their number is quite small. Therefore biofouling is recognized as the most serious problem in the membrane plants. Studies on biofouling used RO membranes have recently started, especially in the field of seawater desalination and water reuse. In addition, few study is reported in Korea because the application of RO membrane has very limitly achived. However shortage of fresh water, the increasing water demand and enforced water quality standard will lead to introduction of RO membrane. Therefore the main objective of this study are to investigate biofouling potential in relation to feed water and effects of biocide such chlorine on biofouling control.The secondary effluent has more higher biofouling potential than tap water and Han river because bacterial concentrations on membrane surfaces was high and the flux was decrease fastly. Fouling was accelerated by pretreatments with chlorination although bacterial concentrations on membrane surfaces was lower than contol. However EPS concentrations by pretreatments with chlorination was similar or lower than contol. So biofouling potential remained

정수처리 과정별 관 재질에 따른 생물막 형성 및 DGGE와 Pyrosequencing을 이용한 세균 다양성 연구

김근수 단국대학교 대학원 2011 국내석사

정수처리장으로 유입되는 원수와 응집수, 침전수, 여과수, 정수의 평균 종속영양세균수는 1.6 × 10^4 CFU/mL ~ 1 CFU/mL였고, 원수부터 정수까지의 평균 잔류염소농도는 0.08 mg/L ~ 0.88 mg/L였다. 스테인리스관과 동관에 형성된 생물막의 종속영양세균수는 원수, 응집수, 침전수에서 2주만에 2.9 × 10^3 CFU/cm2 이상으로 급격히 증가하였다. 반면, 여과수에서는 스테인리스관과 동관 모두 18 CFU/cm2 이하의 종속영양세균수가 검출되었고, 정수에서는 검출되지 않았다. DGGE와 pyrosequencing 방법들을 이용해 원수, 응집수, 침전수에 존재하는 생물막의 세균 군집 분석결과, 스테인리스관과 동관에서 Rhizobiales와 Sphingomonadales가 지속적으로 나타나는 우점종이였다. 스테인리스관의 경우, 12주차 이후 Flavobacteriales가 새로운 우점종으로 나타났다. Pyrosequencing분석 결과, DGGE 분석에서는 검출되지 않았던 Chitinophagaceae, Sphingobaceriaceae, Rhodobaceraceae, Oxalobacterceae 등 다양한 세균들이 검출되었다. 여과수의 경우, 스테인리스관과 동관에 형성된 생물막에서 Propionibacterium sp., Sphingomonas sp., Escherichia sp., Falvobacterium sp. 등과 유사한 16S rRNA 유전자 서열을 가지는 band들이 검출되었지만, 정수에서는 검출되지 않았다. 본 연구 결과, 스테인리스관과 동관에 형성된 생물막에 지속적으로 존재하는 우점종은 비슷하였지만, 생물막 형성 기간에 따른 생물막내 우점종의 군집비율에는 차이 있었다. 또한 스테인리스관에 형성된 생물막의 경우 시간 변화에 따른 새로운 우점종으로의 변화가 나타났으며, 종속영양세균수 및 종다양성이 동관보다 더 높았다. 추가적으로, 생물막이 구조적으로는 성숙하였을지라도 생물막을 구성하고 있는 세균은 끊임없이 변화하기 때문에 생물막 형성 기간은 생물막 연구 시 고려해야 할 중요한 요인중 하나로 생각된다. Heterotrophic bacteria density of raw, coagulated, settled, filtered, and treated water in water treatment plant ranged from 1.6 × 10^4 CFU/mL ~ 1 CFU/mL. Free residual chlorine concentration of raw to treated water ranged from 0.08 mg/L ~ 0.88 mg/L. Heterotrophic bacterial density of biofilm formed from stainless and copper pipes in raw, coagulated, and settled water was highly increased above 2.9 × 10^3 CFU/cm2 within two week. On the other hand, heterotrophic bacterial density of bioflim formed from stainless and copper pipes in filtered water was detected below 18 CFU/cm2, but treated water was not detected. Heterotrophic bacterial density of biofilm formed from stainless was higher than that from copper pipe. Using DGGE and pyrosequencing methods, we found that Rhizobiales and Sphingomonadales were continuously dominant in both stainless and copper pipes in raw, coaulated, and settled water. In case of stainless pipe, Flavobacteriales appeared new dominant species after twelve week. Through the pyrosequencing analysis, we identified various bacteria with dominant species such as Chitinophagaceae, Sphingobaceriaceae, Rhodobaceraceae, Oxalobacterceae, etc which were not detected by DGGE. In case of filtered water, detected bands of biofilm formed from stainless and copper pipes were identified as Propionibacterium sp., Sphingomonas sp., Escherichia sp., Falvobacterium sp., and etc, based on 16S rRNA gene sequence, while any bands in treated water were not detected. In this study, dominant species of biofilm formed from stainless are similar to those from copper pipe but composition ratio of dominant species by period of biofilm formation was different. In case of biofilm formed from stainless pipe, it was appeared that change to new dominant species and Heterotrophic bacterial density and species diversity were higher than those from copper pipe. Although biofilm was matured structurally matured, component bacteria of biofilm were continuously changed. therefore, period of biofilm s formation would be considered as an important factor for studying biofilm.